（车辆工程专业论文）车载分布式控制系统计算机辅助开发技术研究.pdf

摘要 摘要 燃料电池轿车动力控制系统开发过程表明，由燃料电池发动机、动力蓄电 池组、d c d c 变换器和电机控制器组成的动力系统本质上是一个分布计算模式。 一个既定的控制策略，比如动力蓄电池组的s o c 调节、在线故障检测和处理等， 必须按照特定时序协调多个相关部件才能实现。而现有控制算法开发方法主要 针对集中控制系统，将其直接应用于上述分布式控制系统具有本质的局限性。 为此，本文结合燃料电池轿车动力控制策略开发工作全面分析了车载分布式控 制系统的基本特点和解决方案，提出基于模型驱动体系结构m d a 的计算机辅助 分析方法。 本文重点涉及了车载分布式控制系统的如下三方面问题并提出了相应的系 统解决方案：( 1 ) 统一的计算机辅助开发手段；( 2 ) 一致的数据和算法描述方 法；( 3 ) 通用开放的数据交换格式。首先在方法论的层面上将系统开发手段进 行统一和集成，论证并举例说明了模型驱动的车载分布式控制系统开发方案的 可行性；其次，提出了用统一建模语言u m l 描述网络协议和控制算法；最后， 提出将可扩展标记语言x m l 作为交换数据的实现载体。 关键词：车载分布式控制系统，燃料电池轿车，计算机辅助开发，模型驱动体 系，统一建模语言，可扩展标记语言，控制器局域网 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ep o w e r t r a i no ft h ef u e lc e l lc a ri n d i c a t e st h a tt h e p o w e r t r a i ns y s t e mc o n s t r u c t e dw i t hf u e lc e l le n g i n e ，d r i v eb a t t e r y , d c d cc o n v e r t e r a n dm o t o rc o n t r o l l e ri s e s s e n t i a l l yak i n d o fd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gm o d e a p r e d e f i n e ds t r a t e g y , f o re x a m p l e ，t h es o cr e g u l a t i o no fd r i v eb a t t e r ya n do n l i n ee r r o r c h e c ka n dh a n d l e ，m u s tb ei m p l e m e n t e da c c o r d i n gt oas p e c i a lt i m es c h e d u l i n ga n d a s s o r t i n gw i t hs e v e r a lc o r r e l a t i n gc o m p o n e n t s h o w e v e rt h ed e v e l o p i n gs c e n a r i o s n o w a d a y sa i ma tt h ef o c u sc o n t r o ls y s t e m i ti se s s e n t i a l l yl i 妄n i t e dt oa p p l yt h e m d i r e c t l yo nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r et h i sp a p e ra n a l y z e sg e n e r a l l yt h e b a s i cc h a r a c t e r sa n ds o l u t i o ns c e n a r i o sf o rt h ev e h i c l eo n b o a r dd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p i n gw o r ko ft h ep o w e r t r a i nc o n t r o la l g o r i t h ma n d b r i n g sf o r w a r dt h ec o m p u t e ra i d e da n a l y z em e t h o db a s e do nm d a t h i sp a p e rc o n c e r n sm a i n l ya b o u tt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t so fp r o b l e m sa n d b r i n g sf o r w a r da c c o r d i n g l ys o l u t i o ns c e n a r i o s ：( 1 ) au n i f o r mc o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n gm e t h o d ；( 2 ) a ni d e n t i c a ld e s c r i b em e t h o do fd a t aa n da l g o r i t h m ；0 ) a u n i v e r s a la n do p e nd a t ae x c h a n g ef o r m a t f i r s t ，w ei n t e g r a t et h es y s t e md e v e l o p i n g s c e n a r i o so nt h el a yo fm e t h o d o l o g ya n dd i s c u s sa n dt e s t i f yt h ep o s s i b i l i t yo ft h e s y s t e md e v e l o p i n gs c e n a r i o st h r o u g he x a m p l e s t h e nw ep u tf o r w a r dt h em e t h o do f d e s c r i b i n gn e t w o r kp r o t o c o la n dc o n t r o la l g o r i t h mu s i n gu m la tl a s t , w ep u t f o r w a r dt h em e t h o do fu s i n gx m la st h ei m p l e m e n t i n gc a r r i e ro fe x c h a n g i n gd a t a k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ee m b e d d e dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，f c h v , c a e ， m d a , u m lx m lc a n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：乡参动 a 哩降弓月缪e l l 。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在亍年解密后适用 本授权书。 指导剩程轹仍阗 年三膨e t 学位论文作者签名 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文： 是本人在导师指导下，进 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作 做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论 文原创性声明的法律责任由本人承担。 ，斜肜 l吓 ，y 月菇弓轹俘 篓移签即 又 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究目的 燃料电池汽车与传统汽车相比，在原理、结构和实现等方面都有很大的不 同，导致其开发方法也存在相当的差异。图1 1 是“超越系列燃料电池轿车所 采用的动力系统结构原理。燃料电池发动机的功能是将氢气中储存的化学能转 化为电能，经过d c d c 交换器的内阻匹配与动力蓄电池组并联后共同为d c a c 供电。辅以动力蓄电池作为辅助储能元件是因为冷启动、输出特性、制动能量 回收等问题的存在决定了燃料电池还不能独立满足整车的动力要求。 显然，基于上述动力系统基本结构的燃料电池轿车动力系统控制策略的实 现必须同时协调控制d c d c 变换器、电机控制器、蓄电池管理器多个部件才能 达到，即必须考虑一个分布式控制计算系统，由此引出本文的研究对象，即包 括燃料电池轿车控制系统在内的车载分布式控制系统( v e h i c l ed i s t r i b u t e d 图1 1 燃料电池轿车动力控制系统基本方案 l 第1 章绪论 在传统汽车控制领域，随着现代汽车车载电子控制装置的功能日益复杂， 被控对象和参数的成倍增长，使得车载电子控制系统面临越来越苛刻的要求。 尤其是在对实时性和可靠性要求很高的汽车动力系统( 包括发动机管理系统 e m s 、电控自动变速系统e c t 等) 、汽车行驶系统( 包括制动防抱死系统a b s 、 驱动防滑系统a s r 、电子助力转向系统、电控悬架系统等) 和汽车安全系统( 包 括电子安全气囊系统s r s 等) 方面。一方面，传统的集中式控制系统已不能满 足车载控制任务的需要，各控制器必须彼此配合进行大量的信息交换和逻辑互 动；另一方面，总线技术发展迅速，特别是在汽车领域，通过总线加协议的方 式，替代原有大量的线束，使控制器同传感器、控制器同执行器以及控制器之 间的通讯更加可靠，带宽更大。因此，v d c s 在传统汽车领域的应用也愈加广泛。 v d c s 是一种将算法分布于多个控制器，并用总线网络加协议的方式连接多 个车载控制单元，共同完成控制目标的系统。在v d c s 开发过程中，须面对很 多特有的问题，如系统时序和逻辑的匹配、网络协议的制定和实现、系统集成 调试、在线匹配标定等。这些都决定了没有统一的计算机辅助开发方法就不能 保证v d c s 的质量和开发效率。 随着燃料电池轿车动力系统开发的深入，一方面对系统性能和复杂环境下 可靠性的要求逐步提高，另一方面，又缺乏规范有效的开发方案、一致的描述 方法和通用开放的数据交换格式，矛盾日益突出，由此引出了本文的研究工作， 即本文着力就这三个问题提出解决方案：首先，在方法论的层面上将系统开发 手段进行统一和集成：基于模型驱动体系( m o d e ld r i v e na r c h i t e c t u r e ，m d a ) 的v d c s 开发方案；其次，结合燃料电池轿车动力控制策略的实现提出了用统 一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 描述网络协议和控制算法；最 后，提出将可扩展标记语言( e x t e n d e dm a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 作为交换数据 的载体。 1 2 研究方法 模型驱动的思想是将系统模型置于系统整个生命周期中的核心地位，首先 用u m l 对v d c s 进行静、动态描述和建模，然后依据模型建立x m l 数据库， 并以此为根据进行系统的实现和测试工作。因为采用统一的可以机读的数据格 式，所以可将计算机辅助开发技术引入到开发工作的各个阶段和层面。 2 第1 章绪论 作为模型驱动原理的规范建模语言，u m l 已得到越来越多的认可和应用。 u m l 是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的面向对象建模语言， 是第三代面向对象进行系统说明、可视化和编制文档的方法。 x m l 是一种元标记语言，所谓元标记就是开发者可以根据自己的需要定义 自己的标记。使标记对人和机器都可读1 1 】是x m l 的本质，这也是本文采用x m l 作为数据库载体的首要原因，另一原因是x m l 是一种很利于数据交换的语言， 这主要是因为x m l 表示的信息是独立于平台的，这里的平台可以理解为应用程 序或操作系统。 在车载控制系统开发领域中，m a t l a b 是一个广泛应用的开发环境，它很 好的集成了x m l 和j a v a 等语言，具备优秀的控制算法开发模块。同时，良好 的交互性能、极高的计算性能，使得m a t l a b 成为本论文的基本实现平台。 建立被研究对象的模型或能用规范通用的方法对被研究对象建模是一门学 科的出发点，而为了将计算机辅助开发方法引入到一项研究中，所采用的建模 技术还应该同时是可以机读和人读的。模型驱动方法强调被研究对象的建模， u m l 能同时对数据和过程进行规范描述，并被广泛认可，x m l 语义表和文档能 完整的描述u m l 模型、建立数据库、可机读和人读。因此，我们将u m l 和x m l 应用于本论文的研究，它们组成的工具链串起了v d c s 计算机辅助开发从建模 到实现的整个过程。 1 3 国内外研究现状 有关v d c s 计算机辅助开发技术，国外的一些公司和组织已开展了较深入 的研究工作，而国内有关此课题的研究尚处于起步和消化吸收阶段。下面是一 些国外的主要研究现状、发展动态以及相关产品。 针对v d c s 的建模，在自动及测量系统标准化协会( a s s o c i a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o no fa u t o m a t i o na n dm e a s u r i n gs y s t e m s ，a s a m ) 2 0 0 4 年5 月出版 的o d x 标准1 2 l 中，提出了用u m l 建立e c u 诊断模型，同时给出了相应的x m l 词汇表。但是，在这份标准中只对v d c s 进行了静态建模，没有将u m l 的动态 建模思想运用进来，况且此标准是从诊断应用的角度对v d c s 进行建模，缺乏 普遍性。a s a m 协会2 0 0 4 年提出的f i b e x 标准【3 l 给出了一个粗线条的现场总线 控制系统模型。 3 第1 章绪论 有关车载控制算法计算机辅助开发技术，已有不少公司提供了相应的解决 方案，如m a t h w o r k s m a t l a b 、阴a s a s c e t - s d 、d s p a c e a u t o b o x c a l d e s k 、 v e c t o r c a nt o o l k i t s l 4 l d a v a n c c i 、i p e t r o n i k l p e t r o n l ke c u 等。其中， d s p a c e 实时仿真系统【5 】是由德国d s p a c e 公司开发的一套基于m a t l a b 的控 制系统开发及测试的工作平台，与m 棚a b s i m u l i n k 完全兼容并实现了无缝 连接。此系统主要有两大部分组成，即硬件系统和软件系统。前者包括具有高 速计算能力的处理器和f o 接口等，后者包括了可以方便的实现代码生成下载 和试验调试等工作的软件环境。此d s p a c e 系统具有强大的功能，可以很好的 完成控制算法的设计、测试与实现，它为控制器算法开发这一并行工程提供了 一个很好的环境。d s p a c e 的开发思路是将系统或产品开发诸功能与过程的集成 和一体化，即从一个产品的概念设计到数学分析和仿真，从实时仿真试验的实 现到实验结果的监控和调节都可以集成到一套平台中来完成。德国i p e t r o n i k 公司开发的i p e t r o n i ke c u 是套先进的总线测量设备，它可以使技术人员 从繁杂的数据中解放出来，采用模块化设计，使用户可以依据不同的测量信号， 利用不同部件进行组合得到所需要的测量系统，对测量的数据进行记录和分析。 因此能满足所有用户在整车或实验台上进行长时间测试的需求。此系统的一大 特点是它支持几乎所有的通用总线协议，用户可以在熟悉的p c 环境下，轻松的 对系统进行配置，而且由于采用了模块化技术，免去了用户同不同控制单元制 造商打交道的麻烦。 上述开发环境功能强大、界面友好。但价格不菲、软硬件的二次开发很难， 因此在实际的研究和生产应用方面有其局限性。另外，作为一个不断发展的技 术，车载控制系统的普及进步，长远地看，若我们不掌握车载控制系统计算机 辅助开发系统相关技术，建立自主产权的原创性开发体系，必将受制于人。 1 4 论文结构 本文的主要结构可用“两条线、三个层次来概括，如图1 2 所示。“两条 线 即v d c s 的静态数据描述和控制算法过程描述，“三个层次 即从建模、数 据库和应用技术三个层面来解决车载分布式控制系统计算机辅助开发技术这样 个命题，包括： ， 专建立v d c s 静态数据模型，建立车载控制网络专有词汇表，并给出了车载分 4 第1 章绪论 靠式控制算法模型驱动的总体开发漉程； 十建立车戡控制网络协议数据库，并提 b 模型驱动的控制算法快速甸对象解 决方案； 对所提出的理论和建立的模型进行应用技术研究： 静态数据描述方面，开发了网络协议的制订、发布和实现程序以及车载 总线检测程序： 在控制算法描述方面，首先将模型驱动方法应用于燃料电池轿车动力 蓄电池荷电状志控制算法的开发；然后，开发了车载控制器代码实现和 匹配标定两个系统，并在实践中验证了两系统的可靠性。 由图l2 可以看到，两条线都源于u m l ，是基于模型驱动思想开发v d c s 系统的两个方面，而且两方面的应用技术也能够互为补充。图1 2 的开发方案基 于模型驱动体系的四层模型结构，相关的概念将会在第2 章中详述。 i d c s 静志结构描述d c s 过程描述 平 - 。m i 2 口 独 一 且 ，j 上、 模 i 圄国|崮 型 l 塑塑塑r m 平 j * ；k 、f 台 特 r 二i 、一 、一7 。，著、 定 r 二i 叫 、竺竺! ! 竺， 模 型 摹砂 第1 兽绪论 图1 2 车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 本文的中心内容是用u m l 对v d c s 进行描述和建模，并在其基础上设计车 载分布式控制系统计算机辅助开发环境。文章根据如下结构进行组织： 第一章，绪论。分析了燃料电池轿车动力系统控制采用车载分布式控制方 案的必然性，以及当前v d c s 开发面临的矛盾，由此推出了本文 的研究目的，并概述了研究方法和论文结构。 第二章，v d c s 计算机辅助开发原理。论述本文采用的原理和方法，即基于 模型驱动体系结构开发v d c s 。 第三章，v d c s 的数据描述及其应用。首先，用u m l 类图对系统进行静态 建模：然后，在u m l 模型基础上就v d c s 网络协议进行应用，包 括车载分布式控制系统总线协议的制订及发布、总线协议的实现 以及基于车载分布式控制系统模型的网络监测系统。 第四章，v d c s 的过程描述及其应用。首先，分析了v d c s 的特点，讨论 如何将模型驱动思想应用于v d c s 的开发过程：然后，给出了一 套v d c s 的总体开发流程；最后，在控制算法开发方面进行了应 用研究，包括模型驱动的控制算法开发技术、控制算法代码自动 编译和实现技术和匹配标定系统实现技术等方面的研究。 第五章，总结和展望。列出了本文的研究成果和需要改进的地方，并就本 研究领域的发展作出了展望。 6 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 传统的车载分布式控制系统计算机辅助开发方法注重于过程而并非建模， 只在需要时才建立模型、数据库或词汇表。这样做的优点是开发周期比较短， 但它有不可避免的致命弱点，那就是当技术、平台或具体应用发生改变时，将 导致整个系统必须随之改变，究其原因就是没有将研究对象本身从技术、平台 和实现当中抽象、分离出来，导致抽象和层次化不够。我们知道，研究对象相 对于不断更新的技术来说往往在一段时期内是不变的，这意味着如果我们将两 者分离，并提供若干个实现接口，那么面对同一个模型就可以方便的在不同平 台上或采用不同技术实现不同的应用。例如，我们开发一个发动机管理系统时， 传统的做法就是在程序员的脑子里形成了一系列的想法，然后用具体语言等将 其表达出来，编译并下载到e c u 中，在功能定义期间，程序员们虽然有交流和 纪录，程序代码也有相应的注释，但是这并不是对象本身的直接反映，或者说 功能函数并不等同于对象本身。如果有一种统一的、与平台无关的表达方式可 以直接的、准确的表达对象，并由此驱动包括开发、设计、维护和升级在内的 整个系统生命周期，它就是本文的中心理论：模型驱动体系结构。 2 1 模型驱动体系概述 2 1 1 模型驱动体系结构原理 m d a 是对象管理组织( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ，o m g ) 近年提出的系 统开发规范架构。在此，我们从两个方面来论述m d a 。 首先，m d a 是什么? 它解决了什么问题? m d a 最基本的特点是平台独立 l q 。它提供了一条开放的、平台独立的技术路线以应对技术的不断变化，它以分 离出平台技术中的应用逻辑为目标。同时，分离了技术内容的应用系统能够更 方便的以不同步伐适应需求的变更。当新的平台和技术出现，m d a 可以帮助新 规范的快速开发，并流水化整合过程。这样，m d a 就为应用程序的互操作性和 可移植性在接口上提供了全面解决方案。 其次，m d a 通过什么方式解决这些问题? m d a 提供了更简洁更快速访问 通用服务的多平台接口。在m d a 的众多特性中，最重要的是m d a 能够标准化 7 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 特定领域的模型，如制造、金融、交通、通讯和电子商务等，这些标准化的模 型以o m g 提供的多种形态( 包括u m l 和x m l 词汇表等) 存在，并且能被现 在或未来的多种平台实现，减轻不同平台的集成冲突，应对平台技术的不确定 性，图21 形象的展示了m d a 这一重要的特性。 a 韵墩净 i 一 国2 1m d a 领域模型架构 m d a 认为系统开发的最好方式是隔离系统设计与系统实现，独立出建模行 为和领域元素，关注系统应用本身而不是将中间件平台作为系统开发的中心， 提高抽象的层次是m d a 的基本原理和做法。在m d a 中，所谓的平台独立模型 ( p l a t f o r mi n d l ：p c n d e n tm o d e l ，p i m ) 就是将系统从实现中分离出来所建立的模 型，它是系统功能、结构和行为的表示，不随技术的改变而改变，而将p i m 同 具体的实现平台相结合的产物称为平台特定模型( p l a t f o r ms p e c i f i cm o d e l ， p s m ) 。过去，我们往往在开发伊始就站在p s m 的角度来看待系统，最先考虑 的就是基于什么操作系统、用什么开发环境然后就在这个环境中考虑问题。 然而m d a 要求我们首先用p i m 的视角来建立模型，而u m l 就是用于p l m 建 模的手段。m d a 还致力于将p i m 到p s m 的过程标准化和自动化，这使开发人 员能更专注于系统本身从而更好的理解系统，建立更为完善的系统模型。 2 1 2m n a 分层模型 m d a 策略的核心思想是四层模型体系，如图2 2 ，其中的概念如表2 2 。元 模型层和元元模型层是m d a 区别于传统方法的关键，在传统模型层的基础上进 一步抽象出两层模型由此将系统建模同实现相分离。 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 图2 2m d a 四层模型体系结构 表2 2m d a 四层模型体系汇总 模型层解释 m 0 对象层 由执行模型时所创建的具体元素( 对象) 组成，m 0 层代表的是问题领域的实 层际原型，由运行期创建和使用的元素组成。 m 1 模型层 我们通常熟知的面向对象编程语言建立的类、属性、操作等位于m 1 层，而它 层 的实例化就是具体的对象，位于m o 层。 m 2 元模型 m d a 在m i 和m 0 两层的上面又定义了m 2 层和m 3 层，这也正是m d a 的思想所 在：m 2 层是m 1 层的模型，称为元模型层，它定义了类、操作和构件的原型， 层 层 u m l 和c w m ( 公共仓库模型) 就位于这一层。 元元模型层，定义了元模型的原型和规则，m 3 层是m 2 层的模型，是m d a 体 系的最高、最抽象的一层。从这一层次出发，可以创建诸如u m l 和c w m 等面 m 3 元元模 向不同领域的元模型。定义这一基本概念集的就是m d a 策略的核心部分m o f 。 m o f 是一个描述系统和m d a 自身的语言，从它出发，针对不同系统领域可定 层 型层 义各种不同的元模型。总之，m o f 定义了一种通用的元语言，用来创建其它 的语言；u m l 定义了一种源自m o f 的元语言，用来描述面向对象的系统；c w m 也定义了一种源 刍m o f 的元语言，用来描述数据库和相关系统。 2 2 车载分布式控制系统建模技术 2 2 1u m l 建模语言 u m l 是一种绘制软件蓝图的标准建模语言同，可用于对软件系统、商业建 模系统和其他非软件系统的制品进行可视化、构造化和文档化。u m l 由图和元 模型组成。图是u m l 的语法，包括表2 4 的八种图【8 ，9 l ；元模型则给出了图的意 9 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 思，即u m l 的语义。u m l 表示法是u m l 语义的可视化和模型的图形化表示， 是模型语言的格式。本论文建立的主要静态模型都基于面向对象概念和u m l 类 图，因此要简单介绍一下u m l 类图。 表2 4u m l 图汇总表 类 图名( 英文) 功能 概 述 型 描述系统中类的静态结构。在系统的整个生命周期有效，它不仅 类图( c l a s s ) 定义系统中的类，还包括包、类、接口、协作以及它们的关系。 匝 对象图( o b j e c t ) 对象图是类图的实例，它只能在系统某一时问段存在，它从真实 蜒 案例或原型案例的角度，给出了类图中事例的瞬态图。 阐述了系统的静态实现视图，显不，一组构件和它们之同的关系。 姆 构件图( c o m p o n e n t ) 构件代表的是模型中逻辑抽象的物理实施，例如类和它们的交互。 部署图( d e p l o y m e n t - ) 阐述了在一个系统结构视图中物理节点的链接。节点是为执行一 个或多个组件提供物理操作环境的计算资源。 用例图( u s ec a s e ) 从用户角度描述系统功能，并指出各功能的操作者。 匦 活动图( a c t i v i t y ) 显示了一个系统的活动流，包括活动到活动的连续流或分支流以 状 及执行这塍活动或南这娑活动产牛的对象。 描述一个状态机，包括状态、过渡、事件和活动。最常用于给对 妲 状态图( s t a t e c h a r t ) 象的事件顺序行为建模。 序列图( s e q u e n c e ) 通过强调消息的时间顺序，阐述了对象间的相互关系。 类包括这样几个概念： 类、原型、排列和接口等， 可 见 性 名称、可见性、多重性、属性、操作、特性、模板 类的示例如图2 4 。 属任夹翌属任甄叭但是伺元盈菇往阳哭为稃屎翌宪：守任 ，芏团份 i j li iii jc t c i t y ， i 。 t h e a t e r s y s t e m ：s c h e d u li n g ：e v 锄t q 刮围 a u t h o r = ”le e ”la s t u p d a t e d =”1 m 1 2 埘” n a m e f l l ：s ta n g- - n od e f a u l t ，r e q u i r e d【1 3 0c h a r s ，s p a c ea n dp u n c t u a t i o na l l o w e d - s t a r t _ d a t e 1l ：ca k n d a r = n od e f a u l t r e (l u i r e d t o d a y ，v a l i dd a yo fo p e r a t i o n 冒性一- = e n t d a t e 1】：ca l e n d a r = - s t a i t _ d a t e + d ur a t i o n _ i n _ d a y s = s t a r td a t e + d u r a t i o n _ t a _ d a y s 一n e x t i d i s o珂e ic d ：i n t + e v e n t ( n a m c ：；t r t a g , s t a r t _ d a t e ：c a l e nj a r , d u r a t i o n ：t a t ) i 霉e - # s e t d u r a t i o n ( n聊一d u r a t i o n ：i a t ) ：v o i d ( ：h en 州d u r a t i o nm a yn o tc a u s co v e r l a pw i t h _ c a n o t h e rs c h e d l 1 e de v e n t ) c 怔d + c a n c c o ：b o o ： c a n a t e - c h e c k f o r _ j c n f l i c t s o ：b 0 0 l e a a 1i o _ j c c t i n f o ，e ，芏 t e a m =a l p h a d e a d hl e = l 二o 】0 4 s t a t u s ：b e t a 标签值类级属性必须呻岬j n d ) ，可选( o p t i o n a l )操作输入参数约束 图2 4u m l 类示例 1 0 名称栏属性栏 操作栏 用户定义栏 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 睁可见性，在类的属性和操作中都会用到，包括p r i v a t e ( 在一个类中) 、p a c k a g e ( 在相同的包中) 、p u b l i c ( 在整个系统中) 和p r o t e c t e d ( 在一个继承树内) 。 原型，u m l 提供了原型的概念用以对类进行进一步的定义，同时标明了在某 个设计中该类是如何被使用的。例如，许多控制领域模型中都会引入实体 和控s t 原型。前者描述的是类图中的对象，实体类对 周围的环境根本不了解，因此它具有高度的重用性；后者指管理对象行为的 部分，它几乎不包含有关自身的任何信息，代表的是行为而非资源。 夺模板类，它同一般的类有根本的区别，它不是实际可用的类。模板类提供了 使用参数定制某种类的方法，所以又被称为参数化的类，在c + + 中普遍的使 用了模板的概念。一个带有参数的模板类的表示方法如图2 5 的左图。 模板类 接1 2 1 ( t y p e = c u s t o m e r 。( t y p e 和q u a n t i t y q u a n t i t y = 2 0 )类型为t y p e 和i n t ) 实 i s h i r t l p r o d u c t ib+ b u y 0 观类一 + i n v e n t o r y 0 + p r i c k ) + s c u 0 lp e r f u m ei l r o d u c t 厂、 il u -i i 实现接口 图2 5 类的几个特殊概念图：模板类表示方法、接口的两种表示方法 夺接口，接口是一个声明而非实际的类，它只包含操作的定义。图2 5 右图的 例子清楚的阐释了为什么要引入接口的概念，类s h i r t 和类p e r f u m e 没有任何 共同之处，但是当用户希望建立一个零售系统时，两者都可被看作商品，它 们有共同的操作：买卖、存储和定价等。使用接口后，操作特征标记在类中 被单独分离出来，不再和方法关联，即操作和实现分离。只含有操作特征标 记的类被称为接口，实现接口的类则必须覆盖接口的操作，即对每个操作提 供自己的方法以实现操作。 当需要用类来对客观世界进行建模时，就涉及到类与类之间的关系，如图 2 6 ，类及其关系合在一起组成了类图。对象图是类图的实例化，因此，类之间 的关系在对象图中也有相应的实例化关系，两种图中的关系在这里一并介绍。 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 关联 关联类 约 ( 异 a 口 聚台 组合 图2 6 类之间的关系 夸关联和链。关联定义了不同类型对象之间的一种连接关系，是最弱的一种关 系，对象之间的链表示两个对象可以相互访问和参考。关联的端部可指定类 的角色；多重性定义了参与关联的对象数目；约束设置了关联合法的强制性 条件；可将关联信息封装成关联类；关联上的箭头表示导航性；反身关联定 义了存在于相同类之间的关系。精化后的关联关系包括聚合和组合关系： 聚合关系，聚合是特殊类型的关联，在关联关系中，每个类都是独立的， 互不依赖，只存在简单的通讯关系，而聚合定义了一种明确的等级关系， 代表物理或逻辑的集合。聚合引入了三个特征： - 聚合主要用于定义和保护对象配置的完整性； - 聚合定义了一种构造关系，从而可以把对象的集合看成一个统一的单 元处理，就好像该集合是一个大_ 些的对象一样，当接收到一条可能 影响所有对象的指令时，聚合对象指示各成员对象如何应付，以便使 集合像一个单独的对象那样运作； - 聚合将其中的一个对象定义成控制对象，此控制点是惟一的，它为整 个集合提供接口，控制对象对集合内部对象的行为起指导作用，以满 足接口的需要。例如，一个研发团队由几名工程师组成，其中有一个 控制点，如项目经理，他负责指导团队的行为；又如发动机是它的各 个组成部分的控制者，而汽车是发动机以及其它组成部分的控制者。 此特征对复杂系统建模尤其重要，它封装一个系统，对外只可见接口， 1 2 藩啮 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 系统调用者不必关心系统的内部处理机制。例如，当司机踩下油门希 望加速时，所有汽车部件都会协作起来完成加速动作，而不仅仅是油 门自己。因此，一旦定义了聚合关系，外部调用者就不用再关心聚合 内部的情况，它们需要做的就是调用聚合对象的接口，剩下的就交由 聚合自己来处理。借用这种机制，聚合可以实现控制复杂事物的功能。 组合关系，组合是聚合的一种特殊情况，成员对象的生命周期取决于组 合对象的生命周期，组合对象不仅控制着成员对象的行为，而且控制着 成员对象的创建和解构，成员对象不能脱离组合对象独自存在。 呤泛化关系，对于目的相同的一组对象来说，泛化提供了一种组织它们之间的 异同特征的方法。泛化描述的是父类和子类之间的关系，父类包含所有对象 共有的信息，子类包含具有独特特征的对象的信息。泛化引入了如下的概念： 特化。特化是指对父类定义某些特征，从而创建类对象的过程。在父类 中，特化类是指不同于其它子类的惟一子类。 继承。继承是指在创建对象的时候，子类可以使用父类所具有的特征。 抽象类、具体类。抽象类不能被实例化，这是因为抽象类至少定义了一 个没有方法的操作，而如果没有方法的话，类就不能完整地定义对象。 如想创建一个对象，那么就必须由抽象类的子类继承并覆盖没有对应方 法的操作。具体类是指对每一个操作都有对应方法的类，可以创建对象。 强类型 和判别式。说明了如何区分父类的各个子类，强类 型类似于关联关系中的关联类，而判别式类似于关联关系中的约束。 夺依赖关系。依赖关系表示的是对类或包等模型实体之间关系的更高层次的抽 象，它只定义了关系的存在，但没有规定关系的类型，它的通用特性可用原 型描述，如包含 、扩展 、实现 、精化 。依赖关系也同样用于u m l 用例图中表示用例之间的关系。 2 2 2 模式、元数据 术语“模式 直接来源于希腊语，其意思是指形式或外观，一般是指一个 事物集合的种结构化表示。事物集的描述、布局或轮廓的这种一般性表示法 刻画了形式模式的核心意义，具体在x m l 的意义层面上，它刻画了x m l s c h e m a 或d t d 的核心意义。也就是说，这样的模式定义了模式所控制的任何文档或数 据集中允许出现的内容结构，并描述了这些内容的类型。 1 3 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 术语“元数据 来源于计算领域，元数据是一种特殊数据，它们的存在是 为了描述其它数据和将这些数据置于上下文环境中进行研究。元数据从本质上 解释如何读取、翻译和内在化其它数据。元数据对于数据库也是同样的重要， 特别是随着数据本身的复杂性变得越来越明显，若没有数据库中的记录结构和 关系映像图，数据库引擎就无法读取和翻译它们所管理的数据库。同样，若没 有可用的样式表或格式化规则，字处理器就无法获得文档中的文本，并给它赋 予用户辛辛苦苦设计的显示外观。描述数据库和文档的元数据是按其规则来打 开具体数据集供阅读、修改或分析的关键。 在说明将元数据引入本论文的原因之前，有必要先介绍一下元数据及其表 示的发展历程。经过数十年的构思、酝酿和撰写，一种被称为标准通用标记语 言( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ，s g m l ) 的元语言于1 9 8 5 年被递交 给i s o 国际标准化组织，并于一年后发布为i s o 标准8 8 7 9 ：1 9 8 6 。s g m l 是描述 和处理文本的一个大型而复杂的规范，虽然s g m l 本身完全基于一个简单的纯 文本字符集，但s g m l 所定义和支持的环境既是强有力的，又是非常复杂的， s g m l 规范有5 0 0 多页，而x m l 规范只有5 0 多页，因此实现s g m l 所提供的 威力与复杂性的代价必然是其用户规模的限制。随着s g m l 而来的一个重要概 念就是s g m l 文档类型定义( d o c u m e n tt y p ed e f i n i t i o n ，d t d ) ，d t d 元数据 是关于数据的数据，并且可以是描述性的( 表达它是什么) 或规定性的( 规定 什么元素和值必须以什么形式、什么顺序出现) 。但是鉴于s g m l 的复杂性、巨 大的代码量、学习困难以及欠缺的数据类型等原因，人们并没有像在i n t e r n e t 上 广泛的使用s g m l 的子集h t m l 和x h t m l 那样，简单的把s g m l 用于文档描 述和处理。 但我们为什么不用h t m l 作为模型的描述载体呢? 这是因为h t m l 的简单 易用是建立在其所属层次低于s g m l 的基础上的，首要的表现就是h t m l 是一 个封闭系统，它本身是由s g m ld t d 来定义的，如果不改变定义它的d t d ， h t m l 的扩展性就无从谈起。此处应注意，h t m l 是s g m l 一小部分功能的应 用而不是s g m l 的直接子集，x m l 是s g m l 的一个直接子集，h t m l 的新版 本：可扩展超文本标记语言( e x t e n s i b l eh y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ，x h t m l ) 则是x m l 的应用。这就是为什么x m l 而不是诸如h t m l 之类的语言成为本论 文所选的解决方案的原因。x m ls c h e m a 可以使用能处理任意x m l 文档的相同 软件来处理，而d t d 需要有s g m l 处理能力的处理器、有效性检查器等。 1 4 第2 章车载分布式控制系统计算机辅助开发原理 2 2 3x m l 语言 x m l 的出现具有三方面深远的意义： 夸x m l 的完全规范和严格的文档语法，不同于h t m l 松散的语法架构； i o x m l 文档的完整描述，即文档处理器使用描述文档的元数据来处理该文档； 夺x m l 文档的可扩展性，可以更改现有的x m l 元数据，按意愿创建自定义的 x m l 标记，只要有一个完整的文档描述可供x m l 处理器使用，该处理器就 应该能处理符合该描述的任何文档。 x m l 将不同行业和领域的共同需求整合在一起，在统一的平台上建立模式 和词汇表，这具有三方面好处：一是统一的数据和文档平台整合了应用程序提 供商的开发能力；二是开放的元数据系统削弱了特定领域系统的开发和使用的 技术和成本壁垒；三是既易于人读又易于机读的数据库使得用户能够方便快捷 的访问数据库。一个明显的例证就是现在无论在新兴的电子商务领域还是在广 泛的应用程序开发领域，无论是具有普遍意义的基础学科还是某个专有领域， 大到全球通用的商用系统，d , n 医院的病历卡，众多行业都在建立自己的统一 的x m l 词汇表及其应用。在某些特别是在技术密集型的汽车行业，某些大公司 人为设定的在过去几乎无法跨越的技术壁垒可以被绕过，掌握先进开发